基于“双碳”背景的碳捕集、利用与封存(CCUS)技术概述

  自工业革命以来，化石燃料的燃烧使CO2排放量持续不断的增加，导致了严重的温室效应。据估算，2020年我国温室气体排放总量约136亿吨，约占全球排放总量的三分之一。

  2020年，我国一次能源消费49.8亿吨标准煤，化石能源占比84.3%，二氧化碳排放量约99亿吨，其中电力部门排放约41亿吨。

  碳捕集、利用与封存(Carbon Capture Utilization and Storage，CCUS)是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择[1]，也是实现中国“双碳”目标必不可少的技术方法，在发达国家被视为实现碳中和的兜底技术。

  CO2捕集技术是指将CO2富集、压缩纯化得到高浓度CO2。CO2捕集的方法主要有燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集。

  燃烧前捕集技术是指煤燃烧前经过煤气化工艺，将煤中碳元素转成CO2去除后再燃烧，因此燃烧前捕集具有烟气流量小、CO2分压高，因此分离难度低、成本低，但是运行复杂、稳定性差，对燃气轮机的要求高等特点。

  燃烧中捕集技术主要有富氧燃烧技术和化学燃烧技术。富氧燃烧碳捕集技术一般适用于新规划的燃煤电站，相对成本低、易规模化，被认为是最容易大规模推广和商业化应用的CCUS技术之一。我国富氧燃烧装置具有空气／富氧燃烧兼容运行、干湿双循环设计、低能耗塔空分流程、烟气中CO2体积分数高达82.7％浓度富集等特点。目前，该技术存在的主体问题是投资大、能耗高。

  燃烧后捕集系统一般安装在现有电厂污染物脱除装置下游，不影响电厂结构和能源利用方式，工艺成熟、原理简单。但是存在燃煤烟气流量大、烟气组分复杂、CO2分压较低的缺点，捕集过程能耗偏高。目前可用的燃烧后收集技术主要有吸收分离、吸附分离、膜分离和低温分离等，化学吸收技术基本适应于大多全球已投产大型碳捕集项目。

  在CCUS框架内，CO2的利用方式多种多样，包括矿物碳化、物理利用、化学利用和生物利用等，利用方法不一样所得到的产物也不相同：

  CO2转化为固体无机碳酸盐，称为碳矿化．发电厂或工业源产生的CO2，可以被捕获、压缩并储存在活性地质构造中，流体中的CO2，在地质构造中矿化，产生不溶于水的钙或镁碳酸盐，这一过程称为原地碳矿化．在工程过程中，捕集的CO2，被矿化成碳酸盐，可以发展非原位碳矿化途径。

  CO2的物理利用主要是指在食品制造业方面的应用，如生产碳酸饮料、脱氧水、奶制品和食品保鲜等。在生产的全部过程中，CO2被用作酸化剂，使用的二氧化碳必须来自可再生资源或回收的CO2，以保证CO2的纯度。在食品保鲜中，CO2常以液态CO2干冰(即CO2的固体形式)和改性空气包装(MAP)的形式出现，大范围的使用在制冷。

  CO2可作为化工原料合成多种化工产品，如尿素、碳酸氢铵、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、甲烷、合成气、甲醇、聚氨酯和水杨酸等。将CO2转化为化学品或燃料的方法有电化学、热催化、光化学、生物化学和混合方法。

  基于自然界光合作用中CO2转化为碳水化合物，利用植物和自养微生物对CO2进行生物固定是一种安全、经济的方法。

  相较于常见的植物，自养微生物有繁殖快、体积小、光合速率高、环境适应能力强、加工效率高、方便与别的技术集成的特点。

  地质封存是自然界模拟化石燃料的一种封存机制，地层中CO2的储存可通过管道或交通运物至封存位置,如废弃油田、不可开采煤层、高含盐构造层等。

  海洋封存是指将CO2通过管道或船舶运送并储存在深海水或深海海床上。CO2海洋封存的发展的潜在能力巨大，具有广阔的应用前景，但现阶段成本极高且存在泄露风险。在全球大规模碳封存技术中，最主要的是CO2驱油技术和咸水层CO2封存。

  海外CCUS项目起步早，规模较大，国外报道的第一个大型CCUS项目是1972年美国建造的Ter-rell项目，CO2捕集能力达4×105～5×105t/a。之后，挪威、美国、加拿大、澳大利亚、日本及阿联酋等国家加快了CO2捕集项目的工业化进程，碳捕集能力达到了1×106t/a。

  国内CCUS项目起步较晚，各环节技术均取得显著进展，但大部分尚处在基础研究、中试或工业示范阶段，已投运或建设中的CCUS示范项目多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主，鲜见大规模多种技术组合的全流程工业化示范。

  据CCUS减排贡献需求数据预计，如果要达到2060年碳中和与全球1.5℃温控目标，CCUS至少需要贡献1.41×108t/a的减排需求。相较于已投运或建设中的CCUS示范项目数量，我国CCUS尚有很大的发展空间。

  [1] 蔡博峰，李琦，张贤，等.中国CO2捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）——中国CCUS路径研究[R].北京：生态环境部环境规划院，中国科学院武汉岩土力学研究所，中国21世纪议程管理中心，2021.

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